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JP7620539B2 - Fuel Cell Systems - Google Patents
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Description

本発明の実施の形態は、燃料電池システムに関する。 An embodiment of the present invention relates to a fuel cell system.

燃料電池スタックは、複数の単セル電池を積層した積層体を備えている。積層体には、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水の流路がそれぞれ形成されている。燃料電池スタックは、積層体に導入された燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電する。積層体には、発熱した積層体を冷却するための冷却水も導入される。特開2014-049267号公報に示されるように、積層体を冷却した冷却水は、冷却水ポンプを用いて燃料電池スタックから排出される。冷却水ポンプは、冷却水の流れ方向において、燃料電池スタックの下流側に配置される。 The fuel cell stack comprises a laminate in which multiple single cell batteries are stacked. The laminate has flow paths for fuel gas, oxidant gas, and coolant. The fuel cell stack generates electricity through an electrochemical reaction between the fuel gas and oxidant gas introduced into the laminate. Cooling water is also introduced into the laminate to cool the heated stack. As shown in JP 2014-049267 A, the cooling water that has cooled the stack is discharged from the fuel cell stack using a cooling water pump. The cooling water pump is disposed downstream of the fuel cell stack in the direction of the flow of the cooling water.

ここで、燃料電池スタックから排出される冷却水は、気泡を含んでいる場合がある。冷却水ポンプに気泡を含む冷却水が導入されると、冷却水ポンプの作動効率が低下する虞がある。この結果、冷却水を十分に燃料電池スタックに供給することができず、燃料電池スタックを十分に冷却することができない虞がある。燃料電池スタックを十分に冷却することができないと、燃料電池スタックの性能が損なわれる虞がある。このような問題を解決するため、冷却水ポンプの冷却水導入口にエア抜き弁を設けて冷却水中の気泡を大気中に放出し、冷却水ポンプへの気泡の導入を抑制する、ということが行われている。 Here, the cooling water discharged from the fuel cell stack may contain air bubbles. If cooling water containing air bubbles is introduced into the cooling water pump, the operating efficiency of the cooling water pump may decrease. As a result, cooling water may not be supplied sufficiently to the fuel cell stack, and the fuel cell stack may not be cooled sufficiently. If the fuel cell stack cannot be cooled sufficiently, the performance of the fuel cell stack may be impaired. To solve this problem, an air bleed valve is provided at the cooling water inlet of the cooling water pump to release the air bubbles in the cooling water into the atmosphere and suppress the introduction of air bubbles into the cooling water pump.

特開2014-049267号公報JP 2014-049267 A

しかしながら、冷却水の流路の圧力が大気圧よりも低い場合、エア抜き弁で冷却水中の気泡を大気中に放出することは困難である。このため、冷却水ポンプとして特殊なポンプを用いる必要がある。このようなポンプは高価であり、燃料電池システムの設置コストの増大につながる。 However, when the pressure in the cooling water flow path is lower than atmospheric pressure, it is difficult for the air bleed valve to release the air bubbles in the cooling water into the atmosphere. For this reason, a special pump must be used as the cooling water pump. Such pumps are expensive, which increases the installation costs of the fuel cell system.

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、冷却水の流路の圧力が大気圧よりも低い場合であっても冷却水のエア抜きが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of these points, and aims to provide a fuel cell system that can bleed air from the cooling water even when the pressure in the cooling water flow path is lower than atmospheric pressure.

実施の形態による燃料電池システムは、
水素と酸素とを用いて電気を発生させる燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに接続された冷却水排出配管と、
前記燃料電池スタックから前記冷却水排出配管を介して冷却水を排出する冷却水ポンプと、
を備え、
前記冷却水ポンプの運転中、前記冷却水排出配管内の圧力は、少なくとも前記燃料電池スタックと前記冷却水ポンプとの間において、大気圧よりも低く、
前記冷却水排出配管には、前記燃料電池スタックと前記冷却水ポンプとの間において、概ね上下方向に延びる気抜き配管が接続されている。
The fuel cell system according to the embodiment includes:
a fuel cell stack that generates electricity using hydrogen and oxygen;
a cooling water discharge pipe connected to the fuel cell stack;
a cooling water pump that discharges cooling water from the fuel cell stack through the cooling water discharge pipe;
Equipped with
During operation of the cooling water pump, the pressure in the cooling water discharge pipe is lower than atmospheric pressure at least between the fuel cell stack and the cooling water pump;
An air vent pipe extending generally in a vertical direction is connected to the cooling water discharge pipe between the fuel cell stack and the cooling water pump.

実施の形態による燃料電池システムによれば、冷却水の流路の圧力が大気圧よりも低い場合であっても冷却水のエア抜きが可能である。 According to the fuel cell system of the embodiment, it is possible to bleed the air from the cooling water even when the pressure in the cooling water flow path is lower than atmospheric pressure.

図1は、一実施の形態による燃料電池システムの構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a fuel cell system according to an embodiment. 図2は、図1に示す燃料電池スタック内部の流体の流れを説明するための図である。FIG. 2 is a diagram for explaining the flow of fluid within the fuel cell stack shown in FIG. 図3は、図3に示す燃料電池スタックの積層体のIII-III線に沿った断面を示す図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III of the laminate of the fuel cell stack shown in FIG. 図4は、図1に示す燃料電池システムの制御方法を説明するためのフローチャートである。FIG. 4 is a flowchart for explaining a control method for the fuel cell system shown in FIG. 図5は、気抜き配管に設けられた弁の動作を説明するための図である。FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of the valve provided in the vent pipe. 図6は、気抜き配管に設けられた弁の動作を説明するための図である。FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the valve provided in the vent pipe. 図7は、気抜き配管に設けられた弁の動作を説明するための図である。FIG. 7 is a diagram for explaining the operation of the valve provided in the vent pipe. 図8は、気抜き配管に設けられた弁の動作を説明するための図である。FIG. 8 is a diagram for explaining the operation of the valve provided in the vent pipe.

以下、図面を参照して一実施の形態について説明する。まず、図1を参照して、燃料電池システムの全体構成について説明する。 One embodiment will be described below with reference to the drawings. First, the overall configuration of the fuel cell system will be described with reference to Figure 1.

図1に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池スタック10と、燃料ガス供給系30と、燃料ガス排出系35と、酸化剤ガス供給系40と、酸化剤ガス排出系45と、冷却水供給系50と、冷却水排出系55と、を有する。燃料電池スタック10は、水素と酸素とを用いて電気を発生させる。燃料ガスは水素であり、酸化剤ガスは空気である。 As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 10, a fuel gas supply system 30, a fuel gas exhaust system 35, an oxidant gas supply system 40, an oxidant gas exhaust system 45, a cooling water supply system 50, and a cooling water exhaust system 55. The fuel cell stack 10 generates electricity using hydrogen and oxygen. The fuel gas is hydrogen, and the oxidant gas is air.

燃料ガス供給系30は、燃料ガスタンク等の燃料ガス供給源(図示せず)と、燃料ガス供給配管31とを含む。燃料ガス供給配管31は、燃料ガス供給源と燃料電池スタック10とを接続する。燃料ガス排出系35は、燃料ガス排出配管36を含む。燃料ガス排出配管36の一端は、燃料電池スタック10に接続されている。 The fuel gas supply system 30 includes a fuel gas supply source (not shown), such as a fuel gas tank, and a fuel gas supply pipe 31. The fuel gas supply pipe 31 connects the fuel gas supply source to the fuel cell stack 10. The fuel gas exhaust system 35 includes a fuel gas exhaust pipe 36. One end of the fuel gas exhaust pipe 36 is connected to the fuel cell stack 10.

酸化剤ガス供給系40は、ブロワ等の酸化剤ガス供給源(図示せず)と、酸化剤ガス供給配管41とを含む。酸化剤ガス供給配管41は、酸化剤ガス供給源と燃料電池スタック10とを接続する。酸化剤ガス排出系45は、酸化剤ガス排出配管46を含む。酸化剤ガス排出配管46の一端は、燃料電池スタック10に接続されている。 The oxidant gas supply system 40 includes an oxidant gas supply source (not shown) such as a blower, and an oxidant gas supply pipe 41. The oxidant gas supply pipe 41 connects the oxidant gas supply source to the fuel cell stack 10. The oxidant gas exhaust system 45 includes an oxidant gas exhaust pipe 46. One end of the oxidant gas exhaust pipe 46 is connected to the fuel cell stack 10.

冷却水供給系50は、冷却水供給源51と、冷却水供給配管52とを含む。冷却水供給配管52は、冷却水供給源51と燃料電池スタック10とを接続する。図示された例では、冷却水供給源51は、冷却水タンクである。冷却水タンク51の上部は大気圧に開放されている。冷却水供給配管52は、冷却水タンク51の底部に接続されている。 The cooling water supply system 50 includes a cooling water supply source 51 and a cooling water supply pipe 52. The cooling water supply pipe 52 connects the cooling water supply source 51 to the fuel cell stack 10. In the illustrated example, the cooling water supply source 51 is a cooling water tank. The top of the cooling water tank 51 is open to atmospheric pressure. The cooling water supply pipe 52 is connected to the bottom of the cooling water tank 51.

冷却水排出系55は、冷却水排出配管56と冷却水ポンプ57とを含む。冷却水排出配管56の一端は、燃料電池スタック10に接続されている。図示された例では、冷却水排出配管56の他端は、冷却水タンク51の上部に接続されている。冷却水ポンプ57が稼働すると、冷却水排出配管56内の圧力が低下して、燃料電池スタック10内の冷却水が冷却水排出配管56に排出され、冷却水タンク51内に吐出される。 The cooling water discharge system 55 includes a cooling water discharge pipe 56 and a cooling water pump 57. One end of the cooling water discharge pipe 56 is connected to the fuel cell stack 10. In the illustrated example, the other end of the cooling water discharge pipe 56 is connected to the top of the cooling water tank 51. When the cooling water pump 57 is operated, the pressure in the cooling water discharge pipe 56 decreases, and the cooling water in the fuel cell stack 10 is discharged into the cooling water discharge pipe 56 and discharged into the cooling water tank 51.

図1乃至図3に示す例では、燃料電池スタック10は固体高分子型燃料電池スタックである。燃料電池スタック10は、複数の単セル電池11と、マニホールド21,22,23,24,25,26とを含んでいる。 In the example shown in Figures 1 to 3, the fuel cell stack 10 is a polymer electrolyte fuel cell stack. The fuel cell stack 10 includes a plurality of single cell batteries 11 and manifolds 21, 22, 23, 24, 25, and 26.

複数の単セル電池11は、図1及び図2において紙面に垂直な方向に積層されて積層体12を構成する。積層体12は、全体として直方体の形状である。積層体12は、単セル電池11の積層方向に沿って広がる第1側面12a、第2側面12b、第3側面12c及び第4側面12dを有する。第1側面12aと第2側面12bとは互いに対向している。第3側面12cと第4側面12dとは、互いに対向している。マニホールド21,22,23,24,25,26は、積層体12の側面12a,12b,12c,12dに装着されている。 The multiple single cell batteries 11 are stacked in a direction perpendicular to the paper surface in Figs. 1 and 2 to form the stack 12. The stack 12 has a rectangular parallelepiped shape as a whole. The stack 12 has a first side 12a, a second side 12b, a third side 12c, and a fourth side 12d that extend along the stacking direction of the single cell batteries 11. The first side 12a and the second side 12b face each other. The third side 12c and the fourth side 12d face each other. The manifolds 21, 22, 23, 24, 25, and 26 are attached to the sides 12a, 12b, 12c, and 12d of the stack 12.

図3に示すように、各単セル電池11は、膜電極複合体(MEA)13と、膜電極複合体13の両側に配置された燃料セパレータ14及び酸化剤セパレータ15とを含む。膜電極複合体13は、高分子電解質膜13aと、高分子電解質膜13aの両側に配置された一対の電極(燃料極13b及び酸化剤極13c)とを含む。燃料セパレータ14及び酸化剤セパレータ15は、導電性多孔質材料で構成されている。燃料セパレータ14及び酸化剤セパレータ15は、例えば、導電性多孔質カーボン板であってよい。 As shown in FIG. 3, each single cell battery 11 includes a membrane electrode assembly (MEA) 13, and a fuel separator 14 and an oxidizer separator 15 arranged on either side of the membrane electrode assembly 13. The membrane electrode assembly 13 includes a polymer electrolyte membrane 13a and a pair of electrodes (fuel electrode 13b and oxidizer electrode 13c) arranged on either side of the polymer electrolyte membrane 13a. The fuel separator 14 and the oxidizer separator 15 are made of a conductive porous material. The fuel separator 14 and the oxidizer separator 15 may be, for example, a conductive porous carbon plate.

燃料セパレータ14の膜電極複合体13と接する側の表面には燃料ガス流路16が設けられている。燃料ガス流路16の一端は、積層体12の第1側面12aに開口している。燃料ガス流路16の他端は、積層体12の第2側面12bに開口している。 A fuel gas flow path 16 is provided on the surface of the fuel separator 14 that contacts the membrane electrode assembly 13. One end of the fuel gas flow path 16 opens to the first side surface 12a of the stack 12. The other end of the fuel gas flow path 16 opens to the second side surface 12b of the stack 12.

酸化剤セパレータ15の膜電極複合体13と接する側の表面には酸化剤ガス流路17が設けられている。酸化剤ガス流路17の一端は、積層体12の第3側面12cに開口している。酸化剤ガス流路17の他端は、積層体12の第4側面12dに開口している。 An oxidizer gas flow channel 17 is provided on the surface of the oxidizer separator 15 that contacts the membrane electrode assembly 13. One end of the oxidizer gas flow channel 17 opens to the third side surface 12c of the stack 12. The other end of the oxidizer gas flow channel 17 opens to the fourth side surface 12d of the stack 12.

燃料セパレータ14のもう一方の表面または酸化剤セパレータ15のもう一方の表面には、冷却水流路18が設けられている。図示された例では、冷却水流路18は、酸化剤セパレータ15の表面に設けられている。冷却水流路18の一端は、積層体12の第4側面12dに開口している。冷却水流路18の他端は、積層体12の第3側面12cに開口している。 A cooling water flow path 18 is provided on the other surface of the fuel separator 14 or the other surface of the oxidizer separator 15. In the illustrated example, the cooling water flow path 18 is provided on the surface of the oxidizer separator 15. One end of the cooling water flow path 18 opens to the fourth side surface 12d of the stack 12. The other end of the cooling water flow path 18 opens to the third side surface 12c of the stack 12.

燃料ガス供給マニホールド21は、積層体12の第1側面12aに対面して設けられている。燃料ガス供給マニホールド21の内部空間21aは、燃料ガス流路16の一端に連通している。また、燃料ガス供給マニホールド21には燃料ガス供給配管31が接続されており、燃料ガス供給配管31を通じて、内部空間21aに燃料ガスが導入される。 The fuel gas supply manifold 21 is provided facing the first side surface 12a of the stack 12. The internal space 21a of the fuel gas supply manifold 21 is connected to one end of the fuel gas flow path 16. In addition, a fuel gas supply pipe 31 is connected to the fuel gas supply manifold 21, and fuel gas is introduced into the internal space 21a through the fuel gas supply pipe 31.

燃料ガス排出マニホールド22は、積層体12の第2側面12bに対面して設けられている。燃料ガス排出マニホールド22の内部空間22aは、燃料ガス流路16の他端に連通している。また、燃料ガス排出マニホールド22には燃料ガス排出配管36が接続されており、燃料ガス排出配管36を通じて、内部空間22aから燃料ガスが排出される。 The fuel gas exhaust manifold 22 is provided facing the second side surface 12b of the stack 12. The internal space 22a of the fuel gas exhaust manifold 22 is connected to the other end of the fuel gas flow path 16. In addition, a fuel gas exhaust pipe 36 is connected to the fuel gas exhaust manifold 22, and fuel gas is exhausted from the internal space 22a through the fuel gas exhaust pipe 36.

酸化剤ガス供給マニホールド23は、積層体12の第3側面12cに対面して設けられている。酸化剤ガス供給マニホールド23の内部空間23aは、酸化剤ガス流路17の一端に連通している。また、酸化剤ガス供給マニホールド23には酸化剤ガス供給配管41が接続されており、酸化剤ガス供給配管41を通じて、内部空間23aに酸化剤ガスが導入される。 The oxidizer gas supply manifold 23 is provided facing the third side surface 12c of the stack 12. The internal space 23a of the oxidizer gas supply manifold 23 is connected to one end of the oxidizer gas flow path 17. In addition, an oxidizer gas supply pipe 41 is connected to the oxidizer gas supply manifold 23, and the oxidizer gas is introduced into the internal space 23a through the oxidizer gas supply pipe 41.

酸化剤ガス排出マニホールド24は、積層体12の第4側面12dに対面して設けられている。酸化剤ガス排出マニホールド24の内部空間24aは、酸化剤ガス流路17の他端に連通している。また、酸化剤ガス排出マニホールド24には酸化剤ガス排出配管46が接続されており、酸化剤ガス排出配管46を通じて、内部空間24aから酸化剤ガスが排出される。 The oxidant gas exhaust manifold 24 is provided facing the fourth side surface 12d of the stack 12. The internal space 24a of the oxidant gas exhaust manifold 24 is connected to the other end of the oxidant gas flow path 17. In addition, an oxidant gas exhaust pipe 46 is connected to the oxidant gas exhaust manifold 24, and the oxidant gas is exhausted from the internal space 24a through the oxidant gas exhaust pipe 46.

冷却水供給マニホールド25は、積層体12の第4側面12dに対面して設けられている。冷却水供給マニホールド25の内部空間25aは、冷却水流路18の一端に連通している。また、冷却水供給マニホールド25には冷却水供給配管52が接続されており、冷却水供給配管52を通じて、内部空間25aに冷却水が導入される。 The cooling water supply manifold 25 is provided facing the fourth side surface 12d of the laminate 12. The internal space 25a of the cooling water supply manifold 25 is connected to one end of the cooling water flow path 18. In addition, a cooling water supply pipe 52 is connected to the cooling water supply manifold 25, and cooling water is introduced into the internal space 25a through the cooling water supply pipe 52.

冷却水排出マニホールド26は、積層体12の第3側面12cに対面して設けられている。冷却水排出マニホールド26の内部空間26aは、冷却水流路18の他端に連通している。また、冷却水排出マニホールド26には冷却水排出配管56が接続されており、冷却水排出配管56を通じて、内部空間26aから冷却水が排出される。 The cooling water discharge manifold 26 is provided facing the third side surface 12c of the laminate 12. The internal space 26a of the cooling water discharge manifold 26 is connected to the other end of the cooling water flow path 18. In addition, a cooling water discharge pipe 56 is connected to the cooling water discharge manifold 26, and the cooling water is discharged from the internal space 26a through the cooling water discharge pipe 56.

図2に、燃料電池スタック10における燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水の流れを、それぞれ破線矢印、一点鎖線矢印及び実線矢印で示す。図2に示すように、燃料ガスは、燃料ガス供給配管31から、燃料ガス供給マニホールド21の内部空間21aを通じて、積層体12に供給される。積層体12に供給された燃料ガスは、各単セル電池11の燃料ガス流路16に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給配管41から、酸化剤ガス供給マニホールド23の内部空間23aを通じて、積層体12に供給される。積層体12に供給された酸化剤ガスは、各単セル電池11の酸化剤ガス流路17に導入される。そして、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素が単セル電池11で反応し、電気と水が生成される。燃料ガス流路16から排出された燃料ガスは、燃料ガス排出マニホールド22を通じて、燃料ガス排出配管36に流入する。酸化剤ガス流路17から排出された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出マニホールド24を通じて、酸化剤ガス排出配管46に流入する。 2, the flows of fuel gas, oxidant gas, and cooling water in the fuel cell stack 10 are shown by dashed arrows, dashed arrows, and solid arrows, respectively. As shown in FIG. 2, fuel gas is supplied from the fuel gas supply pipe 31 to the stack 12 through the internal space 21a of the fuel gas supply manifold 21. The fuel gas supplied to the stack 12 is introduced into the fuel gas flow path 16 of each single cell battery 11. The oxidant gas is supplied from the oxidant gas supply pipe 41 to the stack 12 through the internal space 23a of the oxidant gas supply manifold 23. The oxidant gas supplied to the stack 12 is introduced into the oxidant gas flow path 17 of each single cell battery 11. Then, the hydrogen in the fuel gas and the oxygen in the oxidant gas react in the single cell battery 11 to generate electricity and water. The fuel gas discharged from the fuel gas flow path 16 flows into the fuel gas discharge pipe 36 through the fuel gas discharge manifold 22. The oxidant gas discharged from the oxidant gas flow path 17 flows into the oxidant gas discharge pipe 46 through the oxidant gas discharge manifold 24.

冷却水は、冷却水供給配管52から、冷却水供給マニホールド25を通じて、積層体12に供給される。積層体12に供給された冷却水は、各単セル電池11の冷却水流路18に導入され、単セル電池11を冷却するために使用される。冷却水流路18から排出された冷却水は、冷却水排出マニホールド26を通じて、冷却水排出配管56に流入する。 The cooling water is supplied to the stack 12 from the cooling water supply pipe 52 through the cooling water supply manifold 25. The cooling water supplied to the stack 12 is introduced into the cooling water flow path 18 of each single cell battery 11 and is used to cool the single cell battery 11. The cooling water discharged from the cooling water flow path 18 flows into the cooling water discharge pipe 56 through the cooling water discharge manifold 26.

図示された燃料電池システム1は、冷却水ポンプ57が稼働すると、冷却水排出配管56内の圧力が、少なくとも燃料電池スタック10と冷却水ポンプ57との間において大気よりも低い圧力になるように、構成されている。これにより、燃料電池スタック10内において、冷却水流路18内の圧力が燃料ガス流路16や酸化剤ガス流路17内の圧力よりも十分に低くなる。この結果、冷却水流路18の冷却水が燃料ガス流路16または酸化剤ガス流路17に染み出す、という虞が効果的に抑制される。また、酸化剤極13cで生成された生成水が、上記の圧力差によって酸化剤極13cから多孔質体であるガス拡散層及びセパレータを通って冷却水流路18内へ移動し、燃料電池スタック10の外へ除去される。 The illustrated fuel cell system 1 is configured so that when the cooling water pump 57 is operating, the pressure in the cooling water discharge pipe 56 is lower than the atmospheric pressure at least between the fuel cell stack 10 and the cooling water pump 57. As a result, in the fuel cell stack 10, the pressure in the cooling water flow path 18 is sufficiently lower than the pressure in the fuel gas flow path 16 and the oxidant gas flow path 17. As a result, the risk of the cooling water in the cooling water flow path 18 leaking into the fuel gas flow path 16 or the oxidant gas flow path 17 is effectively suppressed. In addition, the water generated at the oxidant electrode 13c moves from the oxidant electrode 13c through the porous gas diffusion layer and separator due to the above pressure difference into the cooling water flow path 18 and is removed outside the fuel cell stack 10.

ところで、燃料電池スタックから排出される冷却水は、気泡を含んでいる場合がある。冷却水ポンプに気泡を含む冷却水が導入されると、ポンプの作動効率が低下する虞がある。この結果、冷却水を十分に燃料電池スタックに供給することができず、燃料電池スタックを十分に冷却することができない虞がある。燃料電池スタックを十分に冷却することができないと、燃料電池の性能が損なわれる虞がある。このような問題を解決するため、冷却水ポンプの冷却水導入口にエア抜き弁を設けて冷却水中の気泡を大気中に放出し、冷却水ポンプへの気泡の導入を抑制する、ということが行われている。 However, the cooling water discharged from the fuel cell stack may contain air bubbles. If cooling water containing air bubbles is introduced into the cooling water pump, the pump's operating efficiency may decrease. As a result, cooling water may not be supplied sufficiently to the fuel cell stack, and the fuel cell stack may not be cooled sufficiently. If the fuel cell stack cannot be cooled sufficiently, the performance of the fuel cell may be impaired. To solve this problem, an air bleed valve is provided at the cooling water inlet of the cooling water pump to release the air bubbles in the cooling water into the atmosphere and suppress the introduction of air bubbles into the cooling water pump.

しかしながら、冷却水排出配管内の圧力が大気圧よりも低い場合には、エア抜き弁で冷却水中の気泡を大気中に放出することは困難である。このため、冷却水ポンプとして特殊なポンプを用いる必要がある。このようなポンプは高価であり、燃料電池システムの設置コストの増大につながる。 However, when the pressure in the cooling water discharge pipe is lower than atmospheric pressure, it is difficult to release the air bubbles in the cooling water into the atmosphere using the air bleed valve. For this reason, a special pump must be used as the cooling water pump. Such pumps are expensive, which increases the installation costs of the fuel cell system.

このような事情を考慮して、本実施の形態の燃料電池システム1は、冷却水排出配管56内の圧力が大気圧よりも低い場合であっても冷却水のエア抜きを可能とするための工夫がなされている。 Taking these circumstances into consideration, the fuel cell system 1 of this embodiment is designed to allow the cooling water to be bled even when the pressure in the cooling water discharge pipe 56 is lower than atmospheric pressure.

具体的には、冷却水排出配管56に、気抜き配管60が接続されている。気抜き配管60は、燃料電池スタック10と冷却水ポンプ57との間で、冷却水排出配管56に接続されている。気抜き配管60は、概ね上下方向に延びている。気抜き配管60の下端が、冷却水排出配管56に接続されている。気抜き配管60を通じて、冷却水排出配管56を流れる冷却水中の気泡を、冷却水排出系55の外へ放出することができる。 Specifically, the vent pipe 60 is connected to the cooling water discharge pipe 56. The vent pipe 60 is connected to the cooling water discharge pipe 56 between the fuel cell stack 10 and the cooling water pump 57. The vent pipe 60 extends generally in the vertical direction. The lower end of the vent pipe 60 is connected to the cooling water discharge pipe 56. Air bubbles in the cooling water flowing through the cooling water discharge pipe 56 can be released outside the cooling water discharge system 55 via the vent pipe 60.

図示された例では、冷却水排出配管56は、気抜き配管60との接続部において概ね水平に延びている。言い換えると、冷却水排出配管56は、燃料電池スタック10と冷却水ポンプ57との間に概ね水平に延びる水平部56aを有しており、気抜き配管60は水平部56aに接続している。冷却水排出配管56を流れる冷却水中の気泡は、水平部56aにおいて、冷却水排出配管56の上半部に向かって移動する傾向にある。気抜き配管60は、水平部56aの上半部に接続している。これにより、水平部56aを流れる冷却水中の気泡を、気抜き配管60内に効率よく捕捉することができる。 In the illustrated example, the cooling water discharge pipe 56 extends generally horizontally at the connection with the vent pipe 60. In other words, the cooling water discharge pipe 56 has a horizontal section 56a that extends generally horizontally between the fuel cell stack 10 and the cooling water pump 57, and the vent pipe 60 is connected to the horizontal section 56a. Air bubbles in the cooling water flowing through the cooling water discharge pipe 56 tend to move toward the upper half of the cooling water discharge pipe 56 in the horizontal section 56a. The vent pipe 60 is connected to the upper half of the horizontal section 56a. This allows air bubbles in the cooling water flowing through the horizontal section 56a to be efficiently captured in the vent pipe 60.

また、冷却水排出配管56の断面積は、次のように決められている。すなわち、気抜き配管60との接続部における冷却水排出配管56の断面積が、燃料電池スタック10との接続部における冷却水排出配管56の断面積よりも大きい、というように決められている。これにより、燃料電池スタック10から冷却水排出配管56に流入した冷却水の流速が、冷却水排出配管56と気抜き配管60との接続部において低下する。この結果、当該接続部において、冷却水中の気泡がより多く上方に移動する。したがって、冷却水中の気泡を、より多く気抜き配管60内に捕捉することができる。 The cross-sectional area of the cooling water discharge pipe 56 is determined as follows. That is, the cross-sectional area of the cooling water discharge pipe 56 at the connection with the vent pipe 60 is determined to be larger than the cross-sectional area of the cooling water discharge pipe 56 at the connection with the fuel cell stack 10. As a result, the flow rate of the cooling water that flows from the fuel cell stack 10 into the cooling water discharge pipe 56 decreases at the connection between the cooling water discharge pipe 56 and the vent pipe 60. As a result, more air bubbles in the cooling water move upward at this connection. Therefore, more air bubbles in the cooling water can be captured in the vent pipe 60.

図示された例では、水平部56aは膨大部56bを有する(図5乃至図8参照)。膨大部56bの断面積は、冷却水排出配管56の膨大部56b以外の部分の断面積よりも大きい。気抜き配管60は、膨大部56bの上半部に接続している。 In the illustrated example, the horizontal portion 56a has an expanded portion 56b (see Figures 5 to 8). The cross-sectional area of the expanded portion 56b is larger than the cross-sectional area of the cooling water discharge pipe 56 other than the expanded portion 56b. The vent pipe 60 is connected to the upper half of the expanded portion 56b.

冷却水タンク51は、気抜き配管60の上方に位置している。気抜き配管60の上端は、冷却水タンク51の底部に接続されている。気抜き配管60の下端と上端との間には、第1開閉弁61が設けられている。また、気抜き配管60の下端と第1開閉弁61との間には、第2開閉弁62が設けられている。第1開閉弁61は、第2開閉弁62よりも上方に位置している。燃料電池システム1がこのような気抜き配管60及び開閉弁61,62を有することにより、冷却水排出配管56内を流れる冷却水中の気泡を、気抜き配管60を通じて効率よく排出することができる。具体的には、第1開閉弁61及び第2開閉弁62を、図4乃至図8を参照して説明する制御方法によって制御することにより、冷却水排出配管56内を流れる冷却水中の気泡を、気抜き配管60を通じて排出することができる。図示された例では、燃料電池システム1は、第1開閉61弁及び第2開閉弁62を制御する制御装置65を有する。 The cooling water tank 51 is located above the vent pipe 60. The upper end of the vent pipe 60 is connected to the bottom of the cooling water tank 51. A first on-off valve 61 is provided between the lower end and the upper end of the vent pipe 60. A second on-off valve 62 is provided between the lower end of the vent pipe 60 and the first on-off valve 61. The first on-off valve 61 is located above the second on-off valve 62. By having such a vent pipe 60 and on-off valves 61 and 62 in the fuel cell system 1, air bubbles in the cooling water flowing in the cooling water discharge pipe 56 can be efficiently discharged through the vent pipe 60. Specifically, by controlling the first on-off valve 61 and the second on-off valve 62 by a control method described with reference to Figures 4 to 8, air bubbles in the cooling water flowing in the cooling water discharge pipe 56 can be discharged through the vent pipe 60. In the illustrated example, the fuel cell system 1 has a control device 65 that controls the first on-off valve 61 and the second on-off valve 62.

なお、第1開閉弁61及び第2開閉弁62は、気抜き配管60を必要に応じて閉塞/開放可能な弁であれは特に限定されない。第1開閉弁61及び第2開閉弁62は、例えば電磁弁であってよい。 The first on-off valve 61 and the second on-off valve 62 are not particularly limited as long as they are valves that can close/open the vent pipe 60 as needed. The first on-off valve 61 and the second on-off valve 62 may be, for example, solenoid valves.

図4乃至図8を参照して、燃料電池システム1の制御方法について説明する。以下では、第1開閉弁61及び第2開閉弁62の制御方法を中心に説明する。図5乃至図8において、図示の単純化のため、冷却水供給配管52の図示を省略している。 The control method of the fuel cell system 1 will be described with reference to Figures 4 to 8. The following mainly describes the control method of the first on-off valve 61 and the second on-off valve 62. In Figures 5 to 8, the cooling water supply pipe 52 is omitted for simplicity.

燃料電池システム1による発電を開始する際、まず、制御装置65からの制御信号を受けて、第1開閉弁61及び第2開閉弁62が開かれる。これにより、冷却水タンク51内の冷却水が気抜き配管60内に流入して、気抜き配管60が冷却水で満たされる(図4のステップS1)。 When power generation by the fuel cell system 1 is started, first, the first on-off valve 61 and the second on-off valve 62 are opened in response to a control signal from the control device 65. This causes the cooling water in the cooling water tank 51 to flow into the vent pipe 60, filling the vent pipe 60 with cooling water (step S1 in FIG. 4).

次に、図5に示すように、制御装置65からの制御信号を受けて、第2開閉弁62が開かれたまま第1開閉弁61が閉じられる(図4のステップS2)。これにより、気抜き配管60のうち第1開閉弁61よりも下の領域が、冷却水タンク51を通じて大気圧の影響を受ける、ということが防止される。以下では、第1開閉弁61が閉じており且つ第2開閉弁62が開いている状態を、「第1の状態」とも呼ぶ。 Next, as shown in FIG. 5, in response to a control signal from the control device 65, the first on-off valve 61 is closed while the second on-off valve 62 remains open (step S2 in FIG. 4). This prevents the area of the vent pipe 60 below the first on-off valve 61 from being affected by atmospheric pressure through the cooling water tank 51. Hereinafter, the state in which the first on-off valve 61 is closed and the second on-off valve 62 is open is also referred to as the "first state."

次に、燃料電池スタック10への燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水の供給を開始する。燃料電池スタック10への冷却水の供給は、冷却水ポンプ57を運転して、冷却水排出配管56内の圧力を低下させることにより行われる。図示された例では、冷却水排出配管56内の圧力は、少なくとも燃料電池スタック10と冷却水ポンプ57との間において、大気圧よりも低くされる。これにより、燃料電池スタック10の冷却水流路18内の圧力も十分に低下して、冷却水タンク51から冷却水流路18に冷却水が供給される。また、燃料電池スタック10内の冷却水が、冷却水排出配管56に排出される。そして、冷却水排出配管56内を流れる冷却水は、冷却水ポンプ57を通って冷却水タンク51に吐出される。このようにして、冷却水が冷却水供給系50、燃料電池スタック10及び冷却水排出系55を循環する。 Next, the supply of fuel gas, oxidant gas, and cooling water to the fuel cell stack 10 is started. The supply of cooling water to the fuel cell stack 10 is performed by operating the cooling water pump 57 to reduce the pressure in the cooling water discharge pipe 56. In the illustrated example, the pressure in the cooling water discharge pipe 56 is made lower than atmospheric pressure at least between the fuel cell stack 10 and the cooling water pump 57. As a result, the pressure in the cooling water flow path 18 of the fuel cell stack 10 is also sufficiently reduced, and cooling water is supplied from the cooling water tank 51 to the cooling water flow path 18. In addition, the cooling water in the fuel cell stack 10 is discharged to the cooling water discharge pipe 56. Then, the cooling water flowing in the cooling water discharge pipe 56 is discharged to the cooling water tank 51 through the cooling water pump 57. In this way, the cooling water circulates through the cooling water supply system 50, the fuel cell stack 10, and the cooling water discharge system 55.

冷却水排出配管56を流れる冷却水中の気泡は、冷却水排出配管56内で上昇し、冷却水排出配管56に開口する気抜き配管60内に捕捉される。気抜き配管60内に捕捉された気泡は、気抜き配管60のうち第1開閉弁61と第2開閉弁62との間の領域に溜まる。 Air bubbles in the cooling water flowing through the cooling water discharge pipe 56 rise within the cooling water discharge pipe 56 and are captured in the air vent pipe 60 that opens into the cooling water discharge pipe 56. The air bubbles captured in the air vent pipe 60 accumulate in the area of the air vent pipe 60 between the first opening/closing valve 61 and the second opening/closing valve 62.

次に、第1開閉弁61及び第2開閉弁62が第1の状態にされてから所定時間が経過して気抜き配管60内にある程度の量の気体が溜まると(図4のステップS4のYES)、図6に示すように、制御装置65からの制御信号を受けて、第1開閉弁61が閉じられたまま第2開閉弁62が閉じられる(ステップS5)。ここで、上記所定時間は、気抜き配管60内に気体が溜まりすぎない時間長であればよい。例えば、気抜き配管60内に捕捉される気体の量が気抜き配管60のうち第1開閉弁61と第2開閉弁62との間の領域に収まる量となるような時間長であればよい。以下では、第1開閉弁61と第2開閉弁62とが共に閉じた状態を、「中間状態」とも呼ぶ。 Next, when a certain amount of gas has accumulated in the degassing pipe 60 after a certain time has elapsed since the first and second on-off valves 61 and 62 were put into the first state (YES in step S4 in FIG. 4), as shown in FIG. 6, the second on-off valve 62 is closed while the first on-off valve 61 is kept closed in response to a control signal from the control device 65 (step S5). Here, the above-mentioned certain time may be a time length that does not allow too much gas to accumulate in the degassing pipe 60. For example, it may be a time length that allows the amount of gas captured in the degassing pipe 60 to be contained in the area between the first on-off valve 61 and the second on-off valve 62 of the degassing pipe 60. Hereinafter, the state in which both the first on-off valve 61 and the second on-off valve 62 are closed is also referred to as the "intermediate state."

次に、図7に示すように、制御装置65からの制御信号を受けて、第2開閉弁62が閉じられたまま第1開閉弁61が開かれる(ステップS6)。これにより、第1開閉弁61と第2開閉弁62の間の領域に捕捉された気泡が上昇して冷却水タンク51に放出されると同時に、冷却水タンク51の冷却水が、気抜き配管60のうち第2開閉弁62よりも上の領域に導入される。なお、第1開閉弁61を開放中に第2開閉弁62が閉じられたままであることにより、気抜き配管60のうち第2開閉弁62よりも下の領域が、冷却水タンク51を通じて大気圧の影響を受ける、ということが防止される。したがって、冷却水排出配管56を流れる冷却水中の気泡は、気抜き配管60内に捕捉され続ける。以下では、第1開閉弁61が開いており且つ第2開閉弁62が閉じた状態を、「第2の状態」とも呼ぶ。 Next, as shown in FIG. 7, in response to a control signal from the control device 65, the first on-off valve 61 is opened while the second on-off valve 62 is closed (step S6). As a result, the air bubbles trapped in the area between the first on-off valve 61 and the second on-off valve 62 rise and are released into the cooling water tank 51, and at the same time, the cooling water in the cooling water tank 51 is introduced into the area above the second on-off valve 62 in the degassing pipe 60. Note that, since the second on-off valve 62 remains closed while the first on-off valve 61 is open, the area below the second on-off valve 62 in the degassing pipe 60 is prevented from being affected by atmospheric pressure through the cooling water tank 51. Therefore, the air bubbles in the cooling water flowing through the cooling water discharge pipe 56 continue to be trapped in the degassing pipe 60. Hereinafter, the state in which the first on-off valve 61 is open and the second on-off valve 62 is closed is also referred to as the "second state".

次に、図8に示すように、制御装置65からの制御信号を受けて、第2開閉弁62が閉じられたまま第1開閉弁61が閉じられる(ステップS7)。すなわち、第1開閉弁61及び第2開閉弁62が中間状態にされる。 Next, as shown in FIG. 8, in response to a control signal from the control device 65, the first on-off valve 61 is closed while the second on-off valve 62 remains closed (step S7). That is, the first on-off valve 61 and the second on-off valve 62 are placed in an intermediate state.

次に、図5に示すように、制御装置65からの制御信号を受けて、第1開閉弁61が閉じられたまま第2開閉弁62が開かれる(ステップS8)。すなわち、第1開閉弁61及び第2開閉弁62が第1の状態にされる。第2開閉弁62の開放中に第1開閉弁61が閉じられたままであることにより、気抜き配管60のうち第1開閉弁61よりも下の領域が、冷却水タンク51を通じて大気圧の影響を受ける、ということが防止される。したがって、冷却水排出配管56を流れる冷却水中の気泡は、気抜き配管60内に捕捉され続ける。そして、気抜き配管60内に捕捉された気泡(気体)は、気抜き配管60のうち第1開閉弁61と第2開閉弁62との間の領域に溜まる。 Next, as shown in FIG. 5, in response to a control signal from the control device 65, the second on-off valve 62 is opened while the first on-off valve 61 is closed (step S8). That is, the first on-off valve 61 and the second on-off valve 62 are set to the first state. By keeping the first on-off valve 61 closed while the second on-off valve 62 is open, the area of the vent pipe 60 below the first on-off valve 61 is prevented from being affected by atmospheric pressure through the cooling water tank 51. Therefore, air bubbles in the cooling water flowing through the cooling water discharge pipe 56 continue to be trapped in the vent pipe 60. The air bubbles (gas) trapped in the vent pipe 60 accumulate in the area of the vent pipe 60 between the first on-off valve 61 and the second on-off valve 62.

ここで、燃料電池システム1による発電が継続される場合、燃料電池スタック10への燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水の供給が継続される。したがって、冷却水ポンプ57の運転も継続される。ステップS9において冷却水ポンプ57の運転が継続されている場合は(ステップS9のYES)、ステップS4に戻って第1開閉弁61及び第2開閉弁62の制御が継続される。 If power generation by the fuel cell system 1 continues, the supply of fuel gas, oxidant gas, and cooling water to the fuel cell stack 10 continues. Therefore, the operation of the cooling water pump 57 also continues. If the operation of the cooling water pump 57 continues in step S9 (YES in step S9), the process returns to step S4 and control of the first opening/closing valve 61 and the second opening/closing valve 62 continues.

一方で、燃料電池システム1による発電が終了される場合、燃料電池スタック10への燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水の供給が停止される。したがって、冷却水ポンプ57の運転も停止される。冷却水ポンプ57の運転が停止されると、冷却水ポンプ57にこれ以上冷却水は導入されない。したがって、ステップS9において冷却水ポンプ57の運転が継続されていない場合は(ステップS9のNO)、第1開閉弁61及び第2開閉弁62の制御が終了される。 On the other hand, when power generation by the fuel cell system 1 is terminated, the supply of fuel gas, oxidant gas, and cooling water to the fuel cell stack 10 is stopped. Therefore, the operation of the cooling water pump 57 is also stopped. When the operation of the cooling water pump 57 is stopped, no more cooling water is introduced into the cooling water pump 57. Therefore, if the operation of the cooling water pump 57 is not continued in step S9 (NO in step S9), the control of the first opening/closing valve 61 and the second opening/closing valve 62 is terminated.

また、ステップS4において、一定時間が経過していない場合(ステップS4のNO)、ステップS4に戻る。 Also, in step S4, if the certain time has not elapsed (NO in step S4), the process returns to step S4.

なお、上述した実施の形態では、冷却水流路18が設けられたセパレータ15は多孔質材料で構成されているが、これに限られない。冷却水流路18が設けられたセパレータ15は、例えば金属板等の水を透過させない材料で構成されていてもよい。この場合も、冷却水が冷却水供給系50や冷却水排出系55から漏れ出ることを抑制するために、冷却水排出配管56内の圧力を大気圧よりも低くすることがあり、上述した問題と同様の問題が生じる虞がある。 In the above-described embodiment, the separator 15 provided with the cooling water flow path 18 is made of a porous material, but this is not limited thereto. The separator 15 provided with the cooling water flow path 18 may be made of a material that does not allow water to pass through, such as a metal plate. In this case, too, the pressure in the cooling water discharge pipe 56 may be made lower than atmospheric pressure in order to prevent the cooling water from leaking from the cooling water supply system 50 or the cooling water discharge system 55, which may cause problems similar to those described above.

また、上述した実施の形態では、第1開閉弁61及び第2開閉弁62を、第1の状態にしてから所定時間経過した後に中間状態にするが、これに限られない。第1開閉弁61及び第2開閉弁62を、第1の状態にしてから気抜き配管60内に所定量の気体が溜まった後に中間状態にしてもよい。この場合、気抜き配管60内の冷却水の水面の高さを測定する液面計やレベルセンサ(レベルスイッチやレベル計)を気抜き配管60に設け、液面計やレベルセンサによる測定結果に基づいて、第1の状態から中間状態への切り替えを行ってもよい。 In the above-described embodiment, the first on-off valve 61 and the second on-off valve 62 are switched to the intermediate state after a predetermined time has elapsed since they were switched to the first state, but this is not limited to the above. The first on-off valve 61 and the second on-off valve 62 may be switched to the intermediate state after a predetermined amount of gas has accumulated in the vent pipe 60 after being switched to the first state. In this case, a liquid level gauge or a level sensor (a level switch or a level gauge) that measures the water level of the cooling water in the vent pipe 60 may be provided in the vent pipe 60, and the first state may be switched to the intermediate state based on the measurement results from the liquid level gauge or the level sensor.

また、上述した実施の形態では、第1開閉弁61及び第2開閉弁62の制御を、制御装置65を用いて行っているが、これに限られない。第1開閉弁61及び第2開閉弁62の制御は、手動で行われてもよい。 In addition, in the above-described embodiment, the first on-off valve 61 and the second on-off valve 62 are controlled using the control device 65, but this is not limited to the above. The first on-off valve 61 and the second on-off valve 62 may be controlled manually.

また、上述した実施の形態では、気抜き配管60の上端は冷却水供給系50に含まれる冷却水タンク51に接続されているが、これに限られない。気抜き配管60の上端は、冷却水供給系50の冷却水タンク51とは別の冷却水タンクに接続されていてもよい。なお、気抜き配管60が冷却水供給系50の冷却水タンク51に接続される場合、上記冷却水タンク51とは別の冷却水タンクに接続される場合と比較して、燃料電池システム1を小型化することができる。 In addition, in the above-described embodiment, the upper end of the vent pipe 60 is connected to the cooling water tank 51 included in the cooling water supply system 50, but this is not limited to the above. The upper end of the vent pipe 60 may be connected to a cooling water tank other than the cooling water tank 51 of the cooling water supply system 50. When the vent pipe 60 is connected to the cooling water tank 51 of the cooling water supply system 50, the fuel cell system 1 can be made smaller than when the vent pipe 60 is connected to a cooling water tank other than the cooling water tank 51.

以上のように、本実施の形態による燃料電池システム1は、水素と酸素とを用いて電気を発生させる燃料電池スタック10と、燃料電池スタック10に接続された冷却水排出配管56と、燃料電池スタック10から冷却水排出配管56を介して冷却水を排出する冷却水ポンプ57と、を備えている。冷却水ポンプ57の運転中、冷却水排出配管56内の圧力は、少なくとも燃料電池スタックと冷却水ポンプ57との間において、大気圧よりも低い。また、冷却水排出配管56には、燃料電池スタック10と冷却水ポンプ57との間において、概ね上下方向に延びる気抜き配管60が接続されている。このような燃料電池システム1によれば、冷却水排出配管56を流れる冷却水中の気泡を、当該冷却水が冷却水ポンプ57に導入される前に、気抜き配管60を通じて排出することができる。 As described above, the fuel cell system 1 according to the present embodiment includes a fuel cell stack 10 that generates electricity using hydrogen and oxygen, a cooling water discharge pipe 56 connected to the fuel cell stack 10, and a cooling water pump 57 that discharges cooling water from the fuel cell stack 10 through the cooling water discharge pipe 56. During operation of the cooling water pump 57, the pressure in the cooling water discharge pipe 56 is lower than atmospheric pressure at least between the fuel cell stack and the cooling water pump 57. In addition, a vent pipe 60 that extends generally vertically is connected to the cooling water discharge pipe 56 between the fuel cell stack 10 and the cooling water pump 57. According to this fuel cell system 1, air bubbles in the cooling water flowing through the cooling water discharge pipe 56 can be discharged through the vent pipe 60 before the cooling water is introduced into the cooling water pump 57.

また、本実施の形態による燃料電池システム1において、冷却水排出配管56は、気抜き配管60との接続部において概ね水平に延びている。また、気抜き配管60は、冷却水排出配管56の上半部に接続している。これにより、冷却水排出配管56を流れる冷却水中の気泡を、気抜き配管60を通じて効率よく排出することができる。 In addition, in the fuel cell system 1 according to this embodiment, the cooling water discharge pipe 56 extends generally horizontally at the connection with the vent pipe 60. The vent pipe 60 is connected to the upper half of the cooling water discharge pipe 56. This allows air bubbles in the cooling water flowing through the cooling water discharge pipe 56 to be efficiently discharged through the vent pipe 60.

また、本実施の形態による燃料電池システム1において、気抜き配管60との接続部における冷却水排出配管56の断面積が、燃料電池スタック10との接続部における冷却水排出配管56の断面積よりも大きい。これにより、冷却水排出配管56を流れる冷却水中の気泡を、気抜き配管60を通じてより多く排出することができる。 In addition, in the fuel cell system 1 according to this embodiment, the cross-sectional area of the cooling water discharge pipe 56 at the connection with the vent pipe 60 is larger than the cross-sectional area of the cooling water discharge pipe 56 at the connection with the fuel cell stack 10. This allows more air bubbles in the cooling water flowing through the cooling water discharge pipe 56 to be discharged through the vent pipe 60.

また、本実施の形態による燃料電池システム1において、気抜き配管60の下端が冷却水排出配管56に接続されている。また、気抜き配管60の上端が冷却水タンク51に接続されている。また、気抜き配管60の下端と上端との間に第1開閉弁61が設けられている。また、気抜き配管60の下端と第1開閉弁61との間に第2開閉弁62が設けられている。燃料電池システム1がこのような気抜き配管60及び開閉弁61,62を有することにより、冷却水排出配管56を流れる冷却水中の気泡を、気抜き配管60を通じて効率よく排出することができる。 In the fuel cell system 1 according to this embodiment, the lower end of the vent pipe 60 is connected to the cooling water discharge pipe 56. The upper end of the vent pipe 60 is connected to the cooling water tank 51. A first on-off valve 61 is provided between the upper and lower ends of the vent pipe 60. A second on-off valve 62 is provided between the lower end of the vent pipe 60 and the first on-off valve 61. Since the fuel cell system 1 has such vent pipe 60 and on-off valves 61, 62, air bubbles in the cooling water flowing through the cooling water discharge pipe 56 can be efficiently discharged through the vent pipe 60.

具体的には、第1開閉弁61及び第2開閉弁62が、第1開閉弁61が閉じられ且つ第2開閉弁62が開かれた第1状態から、第1開閉弁61及び第2開閉弁62が共に閉じられた中間状態を経て、第1開閉弁61が開かれ且つ第2開閉弁62が閉じられた第2状態に移行することにより、冷却水排出配管56を流れる冷却水中の気泡が除去される。 Specifically, the first on-off valve 61 and the second on-off valve 62 transition from a first state in which the first on-off valve 61 is closed and the second on-off valve 62 is open, through an intermediate state in which the first on-off valve 61 and the second on-off valve 62 are both closed, to a second state in which the first on-off valve 61 is open and the second on-off valve 62 is closed, thereby removing air bubbles in the cooling water flowing through the cooling water discharge pipe 56.

また、本実施の形態による燃料電池システム1は、一端が燃料電池スタック10に接続され、他端が冷却水タンク51に接続された冷却水供給配管52を更に備える。言い換えると、気抜き配管60は、冷却水供給系50の冷却水タンク51に接続される。この場合、気抜き配管60が上記冷却水タンク51とは別の冷却水タンクに接続される場合と比較して、燃料電池システム1を小型化することができる。 The fuel cell system 1 according to this embodiment further includes a cooling water supply pipe 52 having one end connected to the fuel cell stack 10 and the other end connected to the cooling water tank 51. In other words, the vent pipe 60 is connected to the cooling water tank 51 of the cooling water supply system 50. In this case, the fuel cell system 1 can be made smaller than when the vent pipe 60 is connected to a cooling water tank other than the cooling water tank 51.

また、本実施の形態による燃料電池システム1において、第1開閉弁61及び第2開閉弁62は、第1状態が所定時間だけ持続された後、中間状態に切り替えられる。これにより、気抜き配管60内に気体が溜まりすぎる、ということが防止される。 In addition, in the fuel cell system 1 according to this embodiment, the first on-off valve 61 and the second on-off valve 62 are switched to the intermediate state after the first state is maintained for a predetermined time. This prevents too much gas from accumulating in the vent pipe 60.

あるいは、本実施の形態による燃料電池システム1において、第1開閉弁61及び第2開閉弁62は、気抜き配管60の下端と第1開閉弁61との間に気体が所定量溜まるまで第1状態が持続された後、中間状態に切り替えられる。このことによっても、気抜き配管60内に気体が溜まりすぎる、ということが防止される。 Alternatively, in the fuel cell system 1 according to this embodiment, the first on-off valve 61 and the second on-off valve 62 are switched to the intermediate state after the first state is maintained until a predetermined amount of gas accumulates between the lower end of the vent pipe 60 and the first on-off valve 61. This also prevents too much gas from accumulating in the vent pipe 60.

また、本実施の形態による燃料電池システム1において、燃料電池スタック10は、高分子電解質膜13aと、高分子電解質膜13aの両側に配置された燃料極13b及び酸化剤極13cと、を含む膜電極複合体13と、膜電極複合体13の両側に配置された燃料セパレータ14及び酸化剤セパレータ15と、を含んでいる。燃料セパレータ14の一方の面には燃料ガス流路16が設けられている。酸化剤セパレータ15の一方の面には酸化剤ガス流路17が設けられている。燃料セパレータ14又は酸化剤セパレータ15の他方の面には冷却水流路18が設けられている。冷却水流路18が設けられたセパレータは、多孔質材料で構成されている。このような燃料電池システム1において、冷却水排出配管56内の圧力が大気よりも低くされると、燃料電池スタック10内において、冷却水流路18内の圧力が燃料ガス流路16または酸化剤ガス流路17内の圧力よりも十分に低くなる。この結果、冷却水流路18の冷却水が燃料ガス流路16または酸化剤ガス流路17に染み出す、という虞が効果的に抑制される。また、酸化剤極13cで生成された生成水は、上記の圧力差によって酸化剤極13cから多孔質体であるガス拡散層及びセパレータを通って冷却水流路18へ移動し、燃料電池スタック10の外へ除去される。 In the fuel cell system 1 according to the present embodiment, the fuel cell stack 10 includes a membrane electrode assembly 13 including a polymer electrolyte membrane 13a, a fuel electrode 13b and an oxidizer electrode 13c arranged on both sides of the polymer electrolyte membrane 13a, and a fuel separator 14 and an oxidizer separator 15 arranged on both sides of the membrane electrode assembly 13. A fuel gas flow path 16 is provided on one side of the fuel separator 14. An oxidizer gas flow path 17 is provided on one side of the oxidizer separator 15. A cooling water flow path 18 is provided on the other side of the fuel separator 14 or the oxidizer separator 15. The separator provided with the cooling water flow path 18 is made of a porous material. In such a fuel cell system 1, when the pressure in the cooling water discharge pipe 56 is made lower than the atmosphere, the pressure in the cooling water flow path 18 in the fuel cell stack 10 becomes sufficiently lower than the pressure in the fuel gas flow path 16 or the oxidizer gas flow path 17. As a result, the risk of the cooling water in the cooling water flow passage 18 leaking into the fuel gas flow passage 16 or the oxidant gas flow passage 17 is effectively suppressed. In addition, the water generated at the oxidant electrode 13c moves from the oxidant electrode 13c through the porous gas diffusion layer and separator due to the pressure difference described above to the cooling water flow passage 18, and is removed outside the fuel cell stack 10.

本発明の実施形態といくつかの変形例を説明したが、これらの実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内でこれらの実施形態および変形例を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。 Although the embodiments and some variations of the present invention have been described, these embodiments and variations are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These new embodiments and variations can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and modifications can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and variations are included within the scope and gist of the invention, as well as within the scope of the invention and its equivalents as set forth in the claims. Naturally, these embodiments and variations can also be combined in part as appropriate within the gist of the invention.

1:燃料電池システム、10:燃料電池スタック、12:積層体、30:燃料ガス供給系、31:燃料ガス供給配管、35:燃料ガス排出系、36:燃料ガス排出配管、40:酸化剤ガス供給系、41:酸化剤ガス供給配管、45:酸化剤ガス排出系、46:酸化剤ガス排出配管、50:冷却水供給系、51:冷却水タンク、52:冷却水供給配管、55:冷却水排出系、56:冷却水排出配管、57:冷却水ポンプ、60:気抜き配管、61:第1開閉弁、62:第2開閉弁、65:制御装置 1: fuel cell system, 10: fuel cell stack, 12: stack, 30: fuel gas supply system, 31: fuel gas supply piping, 35: fuel gas exhaust system, 36: fuel gas exhaust piping, 40: oxidant gas supply system, 41: oxidant gas supply piping, 45: oxidant gas exhaust system, 46: oxidant gas exhaust piping, 50: cooling water supply system, 51: cooling water tank, 52: cooling water supply piping, 55: cooling water exhaust system, 56: cooling water exhaust piping, 57: cooling water pump, 60: vent piping, 61: first on-off valve, 62: second on-off valve, 65: control device

Claims (8)

水素と酸素とを用いて電気を発生させる燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに接続された冷却水排出配管と、
前記燃料電池スタックから前記冷却水排出配管を介して冷却水を排出する冷却水ポンプと、
を備え、
前記冷却水ポンプの運転中、前記冷却水排出配管内の圧力は、少なくとも前記燃料電池スタックと前記冷却水ポンプとの間において、大気圧よりも低く、
前記冷却水排出配管には、前記燃料電池スタックと前記冷却水ポンプとの間において、概ね上下方向に延びる気抜き配管が接続されており、
前記気抜き配管の下端が前記冷却水排出配管に接続されており、
前記気抜き配管の上端が冷却水タンクに接続されており、
前記気抜き配管の下端と上端との間に第1開閉弁が設けられており、
前記気抜き配管の下端と前記第1開閉弁との間に第2開閉弁が設けられている、燃料電池システム。
a fuel cell stack that generates electricity using hydrogen and oxygen;
a cooling water discharge pipe connected to the fuel cell stack;
a cooling water pump that discharges cooling water from the fuel cell stack through the cooling water discharge pipe;
Equipped with
During operation of the cooling water pump, the pressure in the cooling water discharge pipe is lower than atmospheric pressure at least between the fuel cell stack and the cooling water pump;
a vent pipe extending generally in a vertical direction between the fuel cell stack and the cooling water pump is connected to the cooling water discharge pipe,
The lower end of the vent pipe is connected to the cooling water discharge pipe,
The upper end of the vent pipe is connected to a cooling water tank,
A first on-off valve is provided between the lower end and the upper end of the vent pipe,
a second on-off valve is provided between a lower end of the vent pipe and the first on-off valve ,
前記冷却水排出配管は、前記気抜き配管との接続部において概ね水平に延び、
前記気抜き配管は、前記冷却水排出配管の上半部に接続している、請求項1に記載の燃料電池システム。
The cooling water discharge pipe extends substantially horizontally at a connection portion with the air vent pipe,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the ventilation pipe is connected to an upper half of the cooling water discharge pipe.
一端が前記燃料電池スタックに接続され、他端が前記冷却水タンクに接続された冷却水供給配管を更に備える、請求項1又は2に記載の燃料電池システム。 3. The fuel cell system according to claim 1 , further comprising a cooling water supply pipe having one end connected to said fuel cell stack and the other end connected to said cooling water tank. 前記第1開閉弁及び前記第2開閉弁が、前記第1開閉弁が閉じられ且つ前記第2開閉弁が開かれた第1状態から、前記第1開閉弁及び前記第2開閉弁が共に閉じられた中間状態を経て、前記第1開閉弁が開かれ且つ前記第2開閉弁が閉じられた第2状態に移行することにより、前記冷却水排出配管を流れる冷却水中の気泡が除去される、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 4. The fuel cell system according to claim 1, wherein the first and second on-off valves transition from a first state in which the first on-off valve is closed and the second on-off valve is open, through an intermediate state in which the first and second on-off valves are both closed, to a second state in which the first on- off valve is open and the second on-off valve is closed, thereby removing air bubbles in the cooling water flowing through the cooling water discharge piping. 前記第1開閉弁及び前記第2開閉弁は、前記第1状態が所定時間だけ持続された後、前記中間状態に切り替えられる、請求項に記載の燃料電池システム。 5. The fuel cell system according to claim 4 , wherein the first and second on-off valves are switched to the intermediate state after the first state is maintained for a predetermined time. 前記第1開閉弁及び前記第2開閉弁は、前記気抜き配管の下端と前記第1開閉弁との間に気体が所定量溜まるまで前記第1状態が持続された後、前記中間状態に切り替えられる、請求項に記載の燃料電池システム。 5. The fuel cell system of claim 4, wherein the first and second opening/closing valves are switched to the intermediate state after the first state is maintained until a predetermined amount of gas accumulates between the lower end of the vent pipe and the first opening/closing valve. 前記第1開閉弁及び前記第2開閉弁の開閉を制御する制御部を更に備える、請求項乃至のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 7. The fuel cell system according to claim 1 , further comprising a control unit that controls opening and closing of the first on-off valve and the second on-off valve . 前記燃料電池スタックは、
高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両側に配置された燃料極及び酸化剤極と、を含む膜電極複合体と、
前記膜電極複合体の両側に配置された燃料セパレータ及び酸化剤セパレータと、
を含み、
前記燃料セパレータの一方の面には燃料ガス流路が設けられており、
前記酸化剤セパレータの一方の面には酸化剤ガス流路が設けられており、
前記燃料セパレータ又は前記酸化剤セパレータの他方の面には冷却水流路が設けられており、
前記冷却水流路が設けられたセパレータは、多孔質材料で構成されている、請求項1乃至のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
The fuel cell stack comprises:
A membrane electrode assembly including a polymer electrolyte membrane and a fuel electrode and an oxidizer electrode disposed on either side of the polymer electrolyte membrane;
a fuel separator and an oxidant separator disposed on either side of the membrane electrode assembly;
Including,
A fuel gas flow path is provided on one surface of the fuel separator,
an oxidant gas flow channel is provided on one surface of the oxidant separator;
a cooling water flow path is provided on the other surface of the fuel separator or the oxidizer separator;
8. The fuel cell system according to claim 1, wherein the separator provided with the cooling water flow passage is made of a porous material.
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